银掺杂二氧化钛气凝胶涂层制备工艺及设备的制作方法
【专利摘要】银掺杂二氧化钛气凝胶涂层制备工艺及设备，工艺包括银掺杂二氧化钛纳米水溶液的制备的步骤和纳米二氧化钛气凝胶涂层的制备的步骤；设备包括用于存储银掺杂二氧化钛纳米水溶液的液态原料罐，与液态原料罐连接的喷枪，喷枪具有喷嘴，用于传送基材的传输部件及烘干基材上喷涂的银掺杂二氧化钛纳米水溶液层的烘箱。该气凝胶涂层增强了基材自清洁性能，同时通过使用离子液体实现了气凝胶的常压制备，简化了生产工艺、降低了设备要求和安全要求。
【专利说明】银掺杂二氧化钛气凝胶涂层制备工艺及设备
【技术领域】
[0001]本发明涉及钛的化合物【技术领域】，尤其是涉及一种一种具有自清洁功能的银掺杂二氧化钛气凝胶涂层制备工艺及基材上制备该涂层的设备。
【背景技术】
[0002]由于纳米二氧化钛具有紫外光下独特的光催化性能，因此纳米二氧化钛在空气净化、水环境净化处理、自清洁等方面有着广泛的应用前景。
[0003]当纳米二氧化钛作为光催化剂时，其吸收波长小于400nm的紫外光后，会产生电子一空穴对，使它具有超亲水性能，能使水完全平铺在涂层表面，取代粘附在表面的污染物，产生自清洁效果。但是，由于二氧化钛只能响应紫外光，阳光下利用率很低，而能量转换率更低。为了解决二氧化钛的实际应用问题，使它能在室内等缺少紫外线的环境中应用，需要拓宽其对可见光的吸收能力，增强光催化性能。
[0004]目前常见的方法为通过金属掺杂、染料敏化、晶型控制等方法，制备具有纳米结构的可吸收可见光的二氧化钛颗粒，以颗粒涂层的形式固定于材料表面应用于自清洁行业。而银掺杂二氧化钛颗粒的比表面积较低，银和二氧化钛利用率低，而且颗粒涂层的固化存在工艺复杂、条件苛刻、设备复杂等缺陷。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺点，提供一种工艺步骤简单、可控性好的银掺杂二氧化钛气凝胶涂层的制备工艺，本发明还提供了用于完成该涂层制备的设备，采用的技术方案是:一种银掺杂二氧化钛气凝胶涂层制备工艺，包括以下步骤:
1)银掺杂二氧化钛纳米水溶液的制备:各物质摩尔比为钛酸丁酯(Ti(OC4H9)4):水:无水乙醇:硝酸银:冰醋酸(CH3C00H)、尿素(CO(NH2)2):离子液体=1:5:10:0.1:0.01:0.04:1，将所述钛酸丁酯(Ti(OC4H9)4)和冰醋酸(CH3C00H)、一半的无水乙醇混合均匀成为溶液A，将所述水、离子液体、尿素(CO(NH2)2)和另一半无水乙醇混合均匀成为溶液B，在剧烈搅拌的条件下将B溶液逐滴加入到A溶液中，剧烈搅拌60分钟后，将预先配置的摩尔百分比为10%的硝酸银水溶液逐滴加入到混合溶液中，再搅拌30分钟后即制得所述银掺杂二氧化钛纳米水溶胶；
2)纳米二氧化钛气凝胶涂层的制备:将配制好的所述银掺杂二氧化钛纳米水溶胶为液体原料，用喷枪雾化后均匀细致铺满整个待喷涂的基材表面，并经过常压干燥后，即可在材料表面形成透明的、所述银掺杂纳米二氧化钛气凝胶涂层。
[0006]本发明的技术特征还有:所述离子溶液为低碳链离子溶液。低碳链离子液体颜色浅，能保证制得的气凝胶为无色透明。
[0007]本发明的技术特征还有:所述低碳链离子溶液为溴化1-丁基-3-甲基咪唑([BMIMjBr)或者溴化1-己基-三甲基咪唑([HMM]Br)。
[0008]本发明的技术特征还有:所述喷枪喷涂压力为2_6MPa之间。[0009]本发明的技术特征还有:所述常压干燥温度为100-200° C，防止温度过高造成溶胶干燥成气凝胶时开裂。
[0010]本发明的技术方案还有:一种银掺杂二氧化钛气凝胶涂层制备设备，其特征在于:所述设备包括用于存储权利要求1所述的银掺杂二氧化钛纳米水溶液的液态原料罐，与所述液态原料罐连接的喷枪，所述喷枪具有喷嘴，用于传送基材的传输部件及烘干基材上喷涂的银掺杂二氧化钛纳米水溶液层的烘箱。
[0011]本发明的技术特征还有:所述设备还包括与液态原料罐连接的空压机。
[0012]本发明的技术特征还有:所述设备还包括与液态原料罐连接的加液管。
[0013]本发明的技术特征还有:所述设备还包括与液态原料罐连接的液体泵。
[0014]本发明的技术特征还有:所述传输部件包括带轮及安装在带轮之间的传送带，所述基材位于传送带上。
[0015]本发明的有益效果在于:本发明通过制得的气凝胶涂层，使银均匀分表在基材表面，该基材可为玻璃、瓷砖、玻纤装饰天花板等，表面平整的基材更容易实施利用；该气凝胶涂层有效提高了基材可利用比表面积，增强了基材自清洁性能，同时通过使用离子液体实现了气凝胶的常压制备，简化了生产工艺、降低了设备要求和安全要求；本发明制得的自清洁银掺杂二氧化钛气凝胶涂层有以下特色:①在阳光或日光灯照射条件下，具有超亲水性能，水滴接触角在2° -9°之间，水冲洗能有效的使脏污从涂层表面分离开；②气凝胶的纳米多孔结构具有吸附空气中有毒气体的功能，在阳光或日光灯照射条件下，气凝胶良好的吸附功能和光催化性能，能有效降解空气中的甲醛等有毒有机物，分解成水和二氧化碳，营造出健康的室内空气环境；③能抑制细菌在涂层表面的滋生和生长，增加了在潮湿环境的应用可能性。本发明将二氧化钛在自清洁及其他各领域的实际应用起到了极大的促进作用。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]附图1是银掺杂二氧化钛气凝胶涂层制备设备结构示意图，附图2是以玻璃为基材制备的银掺杂二氧化钛气凝胶涂层的XRD图谱，附图3是以玻璃为基材制备的银掺杂二氧化钛气凝胶涂层对气体中甲醛的降解性能图，其中I是液态原料罐，2是喷嘴，3是空压机，4是加液管，5是液体泵，6是基材，7是传送带，8是烘箱。
【具体实施方式】
[0017]下面结合附图，对本发明的【具体实施方式】进行说明。本发明的技术思路是通过溶胶法，以钛酸丁酯和硝酸银水溶液为原材料、以低碳链离子液体为助溶剂，制备银掺杂二氧化钛纳米水溶胶。以银掺杂二氧化钛溶胶为液体原料，通过喷涂的方式直接喷涂到材料表面，经过常压高温干燥，即可在材料表面形成银掺杂二氧化硅气凝胶自洁净涂层。
[0018]实施方式一:
制备银掺杂的二氧化钛纳米水溶胶:以钛酸丁酯(Ti(OC4H9)4)为原材料，以冰醋酸(CH3COOH)和尿素(CO(NH2)2)为催化剂，以[BMM]Br离子液体为助溶剂，以无水乙醇为溶齐IJ，并掺杂10%硝酸银(AgNO3)水溶液，通过溶胶法制备银掺杂二氧化钛纳米水溶胶。其中各物质摩尔比为钛酸丁酯(Ti(OC4H9)4):水:无水乙醇:硝酸银:冰醋酸(CH3C00H)、尿素(CO(NH2)2):离子液体=1:5:10:0.1:0.01:0.04:1。将钛酸丁酯(Ti(OC4H9)4)和冰醋酸(CH3C00H)、一半的无水乙醇混合均匀成为溶液A，将水、离子液体、尿素(CO (NH2)2)和另一半无水乙醇混合均匀成为溶液B，在剧烈搅拌的条件下将B溶液逐滴加入到A溶液中，搅拌60分钟后，将配置的摩尔百分比为10%的硝酸银水溶液逐滴加入到混合溶液中，再搅拌30后即制得了银掺杂二氧化钛纳米水溶胶。
[0019]纳米二氧化钛气凝胶涂层的制备:以玻璃为基材，控制空压机3的气压为3MPa，喷枪的枪嘴2距离基材20cm，传送速度为3m/s，烘箱8长度为20m，烘箱8温度为175—185° C之间，在玻璃基材上制得了厚度为1-1.5mm的银掺杂二氧化钛气凝胶涂层。
[0020]采用该设备的工艺步骤为:
I)将制备好的银掺杂二氧化钛水溶胶放入液态原料罐I中，及时经加液管4补充原料。通过液体泵5将液态原料抽至喷枪，调节空压机3压力在2—4MPa之间，将液态原料以气雾状喷射在基材表面。通过对空压机3压力和传送带7的传输速度进行调节，控制喷涂量，达到不同的喷涂厚度。
[0021]2)喷涂后的基材由传送带7送至烘箱8 (100° C_200°内)进行常压烘干。3)通过对烘箱8温度、烘箱8长度和传输速度进行调节，使得液态涂层干燥至气凝胶涂层，制得具有自清洁功能的银掺杂二氧化钛气凝胶涂层。
[0022]图2为采用本发明以玻璃为基材制备的银掺杂纳米二氧化钛气凝胶涂层的XRD图谱。由图谱可知，采用本技术制得的银掺杂纳米二氧化钛气凝胶涂层，其中二氧化钛以锐钛矿相的形式存在，银以单质的形式分布在气凝胶中，这使得气凝胶有良好的光催化性倉泛。
[0023]采用本发明以玻璃为基材制备的银掺杂纳米二氧化钛气凝胶涂层扩大了对可见光的吸收能力，在阳光或日光灯照射条件下，也能产生电子一空穴对，增强了亲水性，测量水滴接触角在2° -5°之间，通过超亲水性能使涂层表面脏污容易用水清洗干净，进行自清洁。
[0024]图3为采用本发明以玻璃为基材制备的银掺杂纳米二氧化钛气凝胶涂层对气体中甲醛的降解性能。在25W常用日光灯照射条件下，用IOOcm2的银掺杂纳米二氧化钛气凝胶涂层降解浓度为lmg/m3的Im3气体，经过100分钟后降解率高达95.38%，180分钟后降解率约为100%。在日光灯下表现出了极好光催化性能，降解甲醛性能极其优越。
[0025]采用本发明以玻璃为基材制备的银掺杂纳米二氧化钛气凝胶涂层上细菌的生长情况。采用菌落计数法对涂层的抗菌性能做定量检测。以牛肉膏蛋白胨琼脂为培养基，将浓度为lOOcfu/mL的大肠杆菌菌液IOmL均匀涂布在25cm2银掺杂纳米二氧化钛气凝胶涂层上，在可见光照射条件下37° C恒温培养箱中培养12小时，计算灭菌率在94%左右。
[0026]实施例二:在玻纤装饰天花板基材上制备具有自清洁功能的银掺杂二氧化钛气凝胶涂层的制备工艺，步骤如下:
制备银掺杂的二氧化钛纳米水溶胶:以钛酸丁酯(Ti(OC4H9)4)为原材料，以冰醋酸(CH3COOH)和尿素(CO(NH2)2)为催化剂，以[BMM]Br离子液体为助溶剂，以无水乙醇为溶齐IJ，并掺杂10%硝酸银(AgNO3)水溶液，通过溶胶法制备银掺杂二氧化钛纳米水溶胶。其中各物质摩尔比为钛酸丁酯(Ti(OC4H9)4):水:无水乙醇:硝酸银:冰醋酸(CH3C00H)、尿素(CO(NH2)2):离子液体=1:5:10:0.1:0.01:0.04:1。将钛酸丁酯(Ti(OC4H9)4)和冰醋酸(CH3COOH)、一半的无水乙醇混合均匀成为溶液A，将水、离子液体、尿素(CO (NH2)2)和另一半无水乙醇混合均匀成为溶液B，在剧烈搅拌的条件下将B溶液逐滴加入到A溶液中，搅拌60分钟后，将配置的摩尔百分比为10%的硝酸银水溶液逐滴加入到混合溶液中，再搅拌30后即制得了银掺杂二氧化钛纳米水溶胶。
[0027]纳米二氧化钛气凝胶涂层的制备:以玻纤装饰天花板为基材，控制空压机3的气压为3MPa，喷枪的枪嘴2距离基材20cm，传送速度为3m/s，烘箱8长度为20m，烘箱8温度为175—185° C之间，在玻璃基材上制得了厚度为1-1.5mm的银掺杂二氧化钛气凝胶涂层。
[0028]采用玻纤装饰天花板为基材制备的银掺杂纳米二氧化钛气凝胶涂层，测量其水滴接触角在4° -9°之间，通过超亲水性能使涂层表面脏污容易用水清洗干净，进行自清洁。
[0029]采用玻纤装饰天花板为基材制备的银掺杂纳米二氧化钛气凝胶涂层对气体中甲醛的降解性能。在25W常用日光灯照射条件下，用IOOcm2的银掺杂纳米二氧化钛气凝胶涂层降解浓度为lmg/m3的Im3气体，经过100分钟后降解率高达92.55%，180分钟后降解率约为99%。在日光灯下表现出了极好光催化性能，降解甲醛性能极其优越。
[0030]采用玻纤装饰天花板为基材制备的银掺杂纳米二氧化钛气凝胶涂层上细菌的生长情况。采用菌落计数法对涂层的抗菌性能做定量检测。以牛肉膏蛋白胨琼脂为培养基，将浓度为lOOcfu/mL的大肠杆菌菌液IOmL均匀涂布在25cm2银掺杂纳米二氧化钛气凝胶涂层上，在可见光照射条件下37° C恒温培养箱中培养12小时，计算灭菌率在93%左右。
【权利要求】
1.一种银掺杂二氧化钛气凝胶涂层制备工艺，包括以下步骤: 1)银掺杂二氧化钛纳米水溶液的制备:各物质摩尔比为钛酸丁酯(Ti(OC4H9)4):水:无水乙醇:硝酸银:冰醋酸(CH3C00H)、尿素(CO(NH2)2):离子液体=1:5:10:0.1:0.01:0.04:1，将所述钛酸丁酯(Ti(OC4H9)4)和冰醋酸(CH3C00H)、一半的无水乙醇混合均匀成为溶液A，将所述水、离子液体、尿素(CO(NH2)2)和另一半无水乙醇混合均匀成为溶液B，在剧烈搅拌的条件下将B溶液逐滴加入到A溶液中，剧烈搅拌60分钟后，将预先配置的摩尔百分比为10%的硝酸银水溶液逐滴加入到混合溶液中，再搅拌30分钟后即制得所述银掺杂二氧化钛纳米水溶胶； 2)纳米二氧化钛气凝胶涂层的制备:将配制好的所述银掺杂二氧化钛纳米水溶胶为液体原料，用喷枪雾化后均匀细致铺满整个待喷涂的基材表面，并经过常压干燥后，即可在材料表面形成透明的所述银掺杂纳米二氧化钛气凝胶涂层。
2.按照权利要求1所述的银掺杂二氧化钛气凝胶涂层制备工艺，其特征在于:所述离子溶液为低碳链离子溶液。
3.按照权利要求2所述的银掺杂二氧化钛气凝胶涂层制备工艺，其特征在于:所述低碳链离子溶液为溴化1-丁基-3-甲基咪唑([BMM]Br)或者溴化1-己基-三甲基咪唑([HMIM]Br)0
4.按照权利要求1所述的银掺杂二氧化钛气凝胶涂层制备工艺，其特征在于:所述喷枪喷涂压力为2-6MPa之间。
5.按照权利要求1所述的银掺杂二氧化钛气凝胶涂层制备工艺，其特征在于:所述常压干燥温度为100-200° C。
6.一种银掺杂二氧化钛气凝胶涂层制备设备，其特征在于:所述设备包括用于存储权利要求I所述的银掺杂二氧化钛纳米水溶液的液态原料罐，与所述液态原料罐连接的喷枪，所述喷枪具有喷嘴，用于传送基材的传输部件及烘干基材上喷涂的银掺杂二氧化钛纳米水溶液层的烘箱。
7.按照权利要求6所述的银掺杂二氧化钛气凝胶涂层制备设备，其特征在于:所述设备还包括与液态原料罐连接的空压机。
8.按照权利要求7所述的银掺杂二氧化钛气凝胶涂层制备设备，其特征在于:所述设备还包括与液态原料罐连接的加液管。
9.按照权利要求7所述的银掺杂二氧化钛气凝胶涂层制备设备，其特征在于:所述设备还包括与液态原料罐连接的液体泵。
10.按照权利要求7所述的银掺杂二氧化钛气凝胶涂层制备设备，其特征在于:所述传输部件包括带轮及安装在带轮之间的传送带，所述基材位于传送带上。
【文档编号】B01J23/50GK103908962SQ201410099606
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2014年3月18日 优先权日:2014年3月18日
【发明者】宁丽媛, 李玉成, 李凌云, 王付军, 宋银吉, 王振奎 申请人:山东邦尼新建材有限公司